Duálfázisú lemezek csaphegesztése

Átírás

1 Duálfázisú lemezek csaphegesztése Juhász Krisztina Anyagtechnológia Tanszék, GAMF Kar, Kecskeméti Főiskola Összefoglalás: Az autóiparban használatos nagyszilárdságú, un. duálfázisú lemezekre történő csaphegesztés során bevitt hő befolyásolhatja a lemez szövetszerkezetét, mechanikai tulajdonságait. A TÁMOP A-11/1/KONV pályázat keretében végzett vizsgálatunk célja megállapítani, hogy milyen paraméterekkel biztosítható megfelelő szilárdságú csap kötés, illetve hogyan változik meg a szövetszerkezet és a mechanikai tulajdonság a hegesztés környezetében. Kulcsszavak: duálfázisú lemezek, csaphegesztés, hegesztett kötés Abstract: Stud welding technology is widely used in automotive industry. Often the base sheet is a high strength steel sheet, for example dual phase (DP) steel. The heat arising during the stud welding process influences the grain structure of the joint s environment and the mechanical properties of the joint. The aim of our research work is to determine the technological parameters which can give properly strong joint. Within the TÁMOP A- 11/1/KONV project we are testing how the grain structure and mechanical properties change depending on the technological parameters of the stud welding operation. Keywords: dual phase steel sheets, stud welding, welded joint 1. Bevezetés Az autóipar évtizedek óta törekszik a fajlagos energiafelhasználás csökkentésére. A több lehetséges megoldás közül az egyik az autó önsúlyának a csökkentésén keresztül a karosszéria lemezek vékonyítása. Az egyes karosszériaelemek biztonságának megtartásához azonban biztosítani kell a megfelelő szilárdságot, aminek következtében egyre nagyobb szakítószilárdságú, folyáshatárú anyagok kerülnek kifejlesztésre és alkalmazásra. Gyakran a lemezanyagok duálfázisú (ferrit + martenzit szövetszerkezetű) acélok, melyek MPa szakítószilárdsággal rendelkeznek. Ezek speciális hőkezelési, hengerlési technológiákkal előállított lemezek. A lemezekben kialakított szövetszerkezet (ferrit + martenzit) biztosítja a megfelelő szilárdság mellett a kellő alakíthatóságot is. A karosszériára az egyes szerkezeti elemeket csap-, és dudorhegesztéssel rögzítik. A hegesztés során bevitt hő megváltoztatja a kialakított előzetes szövetszerkezetet, ami a mechanikai tulajdonságok megváltozását okozza. Kísérleteink során vizsgáltuk, hogy a DP 600 duálfázisú lemezre hegesztett csap kötése hogyan alakul ki, illetve milyen hatása van a lemez szövetszerkezetére, és a kötés mechanikai tulajdonságaira. 2. Vizsgálat kiinduló paraméterei A kísérleteinkhez DP 600 bevonat nélküli 1mm vastag lemezt választottunk. A felhegesztett csap M6 méretű volt. A csaphegesztést Soyer BMS-8N típusú berendezéssel végeztük, amelynek a töltőfeszültsége V közt állítható (1.a. ábra). A lemezhez a földelés hozzávezetése kétoldali volt (1.b. ábra) [1]. A kísérletek során a töltőfeszültséget 100 és 200 volt között 20 voltos lépésenként változtattuk. 180

2 Azonos paraméterekkel 5 mintát készítettünk. a) b) 1. ábra: A csaphegesztő berendezés és a csaphegesztés 3. A vizsgálatra felhasznált anyagok összetétele A vizsgálatra kerülő alapanyagokat kémiai összetételre FOUNDRY MASTER PRO spektrométerrel vizsgáltuk. Az 5 mérésből meghatározott átlagos vizsgálati eredményeket az 1. táblázatban foglaltuk össze. A mérési eredményekből látható, hogy a csap és a lemez anyaga is kis széntartalmú ötvözetlen acél. 1. táblázat Megnevezés C Si Mn P S Cr Al Cu Nb Ti B N Csap 0,052 0,0495 0,384 0,0146 0,0086 0,0503 0,0275 0,0879 <0,001 0,0012 0,0003 <0,005 DP600 0,118 0,217 0,785 0,0224 0,0031 0,0232 0,0516 0,0071 0,0122 <0,001 0,0003 <0, A hegesztett kötések makroszkópi vizsgálata A hegesztett kötéseket makroszkópi vizsgálatnak vetettük alá. A vizsgálathoz a csap hossztengelye mentén elvágtuk a hegesztett kötést, majd megvizsgáltuk. A kisebb töltési feszültség alkalmazása esetén (100 V) az egyesítési vonal mentén nagyon sok zárvány, hiányosság volt látható (2. ábra), aminek az oka a megfigyelhető nem megfelelő beolvadás volt. Ezen hibák okozhatták a kötések kisebb szakítóerő értékeit is. A 120, 140 V töltőfeszültséggel készített próbák esetén csak esetenként fordultak elő kisebb hibák az egyesítési vonal mentén. A jó kötést a 3. ábrán mutatjuk be. A nagyobb töltési feszültséggel végzett csaphegesztések esetén is találtunk a hegesztési zónában zárvány, illetve össze nem hegedt részeket, ritkábban repedéseket is (4. ábra). A hegesztés során kifröccsenő megolvadt anyag esetenként benntmaradt az elemek között és az összeolvadás nem történt meg (5. ábra). 181

3 2. ábra: Kis töltőfeszültséggel készített kötés (100 V) 3. ábra: 140 V töltőfeszültséggel készült jó kötés 4. ábra: 160 V-al készült kötés 182

4 5. ábra: Összeolvadási hiba a 160 V-al készült kötésben A fenti kötéshibák ellenére a kötések bizonyos töltőfeszültség felett megfelelő szilárdsággal rendelkeztek, amelyet a kötések szilárdságát vizsgálva állapítottunk meg. Az irodalmi adatok hasonló eredményeket mutattak [2]. 5. A hegesztett csapok kötésének szilárdsági vizsgálata A hegesztett csapkötéseket szilárdsági vizsgálatnak vetettük alá. A vizsgálatokat INSTRON 4482 típusú szakítógéppel végeztük. Minden szakítóvizsgálatról erő út digramot vettünk fel. Azonos paraméterekkel végzett csaphegesztésekből 3 3 darab került szakítóvizsgálatra. A 6. ábrán látható a 100 V töltőfeszültséggel végzett csaphegesztett darab erő út diagramja. Ebben az esetben több alkalommal a kötés nem volt megfelelő szilárdságú, a csap leszakadt a lemezről. A 7. ábrán már egy nagyobb töltőfeszültséggel (180 V) készített hegesztés erő út diagramja látható. Ebben az esetben a hegesztett kötés kiszakadt a DP 600-as lemezből. A 8. ábrán összefoglaltuk a különböző töltőfeszültséggel készített csaphegesztésekhez szükséges szakítóerőket. Az ábrán látható, hogy a maximális szakítóerőt a 120 V és 140 V töltőfeszültség adta. Ezen esetekben a csap anyaga szakadt el, mely azt jelenti, hogy a varratok a mért maximális szakítóerőnél nagyobb szilárdságúak. Nagyobb töltőfeszültség alkalmazása esetén minden esetben kiszakadt a kötés az alaplemezből. 183

5 6. ábra: A 100 V töltőfeszültséggel hegesztett csap szakítódiagramja 7. ábra: A 180 V töltőfeszültséggel hegesztett csap szakítódiagramja DP 600 (s=1 mm); M 6 (4.8) Szakító erő (N) Töltő feszültség (V) 8. ábra: A szakítóerő változása a töltőfeszültség függvényében 184

6 A 9. ábrán bemutatjuk a szakítóvizsgálat elvégzése után a szakadási helyeket a töltőfeszültség függvényében. 9. ábra: Minták szakítás után 6. A hegesztett csapok hőhatás övezetének keménységi vizsgálata A szakítóvizsgálatnál tapasztalt viselkedés miatt keménységméréssel is megvizsgáltuk a hegesztés hőhatás övezetét. Feltételeztük, hogy valamilyen mértékű elridegedés okozza a hegesztés lemezből való kiszakadását. A vizsgálatok céljára a csap hossztengelye mentén elvágtuk a kötést, majd beágyazás után mikrokeménységet mértünk a hegesztett kötésre merőlegesen. A jónak bizonyult 140 V töltőfeszültséggel végzett hegesztés hőhatásövezetének keménységváltozását a 10. ábrán mutatjuk be. 185

7 DP 600 (s=1 mm); M 6; St 37 (4.8); U=140 V HV 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Távolság (mm) 10. ábra: Hőhatásövezet keménységének változása A 10. ábrán láthatjuk, hogy a hőhatásövezetben találni olyan helyet, ahol a keménység lényegesen megnő. Jelen esetben ~400 HV0,2 értékre. A DP 600 lemez alapkeménysége HV0,2, a csap anyagának alapkeménysége HV0,2. A keménységnövekedés a hegesztést követő gyors hűtés során bekövetkező átalakulásokból (martenzites, bénites) következhetett be. A 11. ábrán összefoglalva megadjuk a különböző töltőfeszültséggel végzett hegesztések esetén a mikrokeménység mérés eredményeit. DP 600 (s=1 mm); M 6; St 37 (4.8) HV 0, V 120 V 140 V 160 V 180 V 200 V 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Távolság (mm) 11. ábra: Hőhatásövezet keménységének változása a töltőfeszültség függvényében Az összesítő diagramból látható, hogy a hőhatásövezetben több töltőfeszültség esetén is a 186

8 keménység közel 450 HV0,2 volt, amely elridegedéséhez vezetett. 7. A hegesztett csapok hőhatás övezetének szövetszerkezeti vizsgálata Az előzetesen mikrokeménység méréséhez előkészített mintákat további megmunkálással, polírozással, maratással szövetszerkezeti vizsgálatnak vetettük alá. A hőhatásövezetről készített szövetszerkezeti képet a 12. ábrán mutatjuk be. Az ábra felső részen a kis széntartalmú csap anyagának szövetszerkezete látható, amely alapvetően ferrites, kis mennyiségű perlittel. Az alsó rész a DP 600 lemez szövetszerkezetét mutatja, amely ferrit martenzites. A két rész közt alakult ki egy átmeneti zóna, amely az irányított hőelvonás következtében oszlopos szerkezetű. Ebben a zónában jellemző lehet a kis széntartalmú martenzit megjelenése. A duálfázisú alaplemez szövetszerkezetét a 13. ábrán mutatjuk be. A 14. ábrán láthatóak a hőhatásövezetbe tett mikrokeménységi lenyomatok is, amelyek mérete jól szemlélteti a rideg, tűs jellegű átmeneti zóna nagyobb keménységét. 12. ábra: Hőhatásövezet 160 V töltőfeszültség esetén 13. ábra: DP 600 alaplemez szövetszerkezete 187

9 14. ábra: Hőhatásövezet mikrokeménységi lenyomatokkal 200 V töltőfeszültség esetén 8. Összefoglalás Az elvégzett kísérletek alapján a duálfázisú DP 600 lemez csaphegesztésével kapcsolatban az alábbiakat állapíthatjuk meg: 1. Csaphegesztéssel kellő szilárdságú kötés hozható létre duálfázisú lemezen. 2. A kötésben összeolvadási hibák, zárványosságok tapasztalhatók, de ezek mértéke a kötés szilárdságát (szakítóerőt) nem befolyásolták lényegesen. 3. A kötés jellege ridegebb, ez lehet az egyik oka a kötés kiszakadásának a lemezből. 4. A hőhatás övezetben a bevitt hő hatására szövetszerkezeti változások jönnek létre, amelyek növelik a kötés keménységét, ridegségét. Tervezzük a kötések fárasztó igénybevételi vizsgálatát, hogy meghatározhassuk hogyan hat ezen elridegedés az ismételt igénybevétel során. Okoz-e, illetve ha igen, milyen mértékű eltérés adódik fárasztó igénybevétel esetén a hőhatásövezet bekövetkező szövetszerkezeti változásokból. Irodalomjegyzék [1] SOYER, BMS-8N és BMS-8NV Csaphegesztő-berendezés (Használati utasítás) [2] Dr. Bernáth Mihály: Paraméterek hatása a csúcsgyújtásos csaphegesztéssel készült kötések tulajdonságaira OGÉT, Nagybánya Szerző Juhász Krisztina, Anyagtechnológia Tanszék, GAMF Kar, Kecskeméti Főiskola, Magyarország, 6000-Kecskemét Izsáki út 10., juhász.krisztina@gamf.kefo.hu 188